Le dispositif de mesure le plus universel pour la mesure électrique de grandeurs mécaniques est la jauge de contrainte. Plusieurs types de jauges de contrainte dépendent de la variance proportionnelle de la résistance électrique à la contrainte : la jauge piézorésistive ou à semi-conducteur, la jauge à résistance au carbone, le fil métallique collé et les jauges à résistance à feuille.
The bonded resistance strain gage is by far the most widely used in experimental stress analysis. These gages consist of a grid of very fine wire or foil bonded to the backing or carrier matrix. The electrical resistance of the grid varies linearly with strain. In use, the carrier matrix is bonded to the surface, force is applied, and the strain is found by measuring the change in resistance. The bonded resistance strain gage is low in cost, can be made with a short gage length, is only moderately affected by temperature changes, has small physical size and low mass, and has fairly high sensitivity to strain.
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La jauge de contrainte à résistance collée est de loin la plus largement utilisée dans l'analyse expérimentale des contraintes. Ces jauges consistent en une grille de fils ou de feuilles très fins collés sur un support ou une matrice. La résistance électrique de la grille varie linéairement avec la contrainte. Lors de l'utilisation, la matrice de support est collée à la surface, une force est appliquée et la contrainte est déterminée en mesurant la variation de résistance. La jauge de contrainte à résistance collée est peu coûteuse, peut être fabriquée avec une longueur de jauge courte, n'est que modérément affectée par les changements de température, a une petite taille physique et une faible masse, et a une sensibilité assez élevée à la contrainte.
Dans une application de jauge de contrainte, la matrice de support et l'adhésif doivent fonctionner ensemble pour transmettre les contraintes de l'échantillon à la grille. De plus, ils servent d'isolant électrique et de dissipateur thermique.
Les trois principaux facteurs qui influencent le choix de la jauge sont la température de fonctionnement, l'état de contrainte (gradient, amplitude et dépendance temporelle) et la stabilité requise.
En raison de sa sensibilité exceptionnelle, le circuit en pont de Wheatstone est le circuit le plus fréquemment utilisé pour les mesures de contrainte statique. Idéalement, la jauge de contrainte est la seule résistance du circuit qui varie, et ce uniquement en raison d'un changement de contrainte sur la surface.
Il existe deux méthodes principales pour indiquer le changement de résistance causé par la contrainte sur une jauge dans un pont de Wheatstone. Souvent, un indicateur rééquilibre le pont, affichant le changement de résistance obligatoire en micro-déformation. La deuxième méthode consiste à installer un indicateur, calibré en micro-déformation, qui réagit à la tension de sortie du pont. Cette méthode suppose une relation linéaire entre la tension de sortie et la contrainte, un pont initialement équilibré et une tension d'entrée connue. En réalité, la relation entre la tension de sortie et la contrainte n'est pas linéaire, mais pour des contraintes allant jusqu'à quelques milliers de microcontraintes, l'erreur n'est pas significative.
Sources d'erreurs potentielles
Dans une application d'analyse des contraintes, l'ensemble de l'installation de jauges de contrainte ne peut pas être étalonné comme certains transducteurs de pression. Il est donc important d'examiner les sources d'erreur potentielles avant de collecter les données.
CONSIDÉRATIONS PRINCIPALES POUR LE CHOIX DES JAUGES DE CONTRAINTE
Certaines jauges peuvent être endommagées lors de l'installation. Il est donc important de vérifier la résistance de la jauge de contrainte avant de l'exercer.
Le bruit électrique et les interférences peuvent altérer vos mesures. Des fils blindés et des revêtements isolants adéquats peuvent éviter ces problèmes. Une valeur inférieure à 500 M ohms (mesurée à l'aide d'un ohmmètre) indique généralement une contamination de surface.
Les tensions induites thermiquement sont causées par des effets thermocouples à la jonction de métaux dissemblables dans le circuit de mesure. Des tensions induites magnétiquement peuvent se produire lorsque le câblage est situé dans un champ magnétique variable dans le temps. L'induction magnétique peut être contrôlée en utilisant des fils torsadés et en formant des boucles minimales mais égales de chaque côté du pont.
Les effets de la température sur la résistance et le facteur de jauge doivent également être compensés. Cela peut nécessiter la mesure de la température au niveau de la jauge elle-même, à l'aide de thermocouples, de thermistances ou de RTD. Cependant, la plupart des alliages métalliques utilisés pour les jauges présentent une variation du facteur de jauge presque linéaire avec la température sur une large plage, inférieure à ±1 % dans une plage de ±100 °C.
Dimensions des jauges de contrainte
La longueur active de la grille, dans le cas des jauges à feuille, est la longueur nette de la grille sans les languettes et comprend les boucles de retour des jauges à fil. Les dimensions du support sont conçues par OMEGA pour une fonction optimale de la jauge de contrainte.
Résistance de la jauge de contrainte
La résistance d'une jauge de contrainte est définie comme la résistance électrique mesurée entre les deux rubans métalliques ou zones de contact destinés à la connexion des câbles de mesure. La gamme comprend des jauges de contrainte avec une résistance nominale de 120, 350, 600 et 700 ohms.
Facteur de jauge (sensibilité à la déformation)
La sensibilité à la déformation k d'une jauge de contrainte est le facteur de proportionnalité entre la variation relative de la résistance.
La sensibilité à la déformation est une valeur sans dimension, généralement appelée facteur de jauge.
Le facteur de jauge de chaque lot de production est déterminé par des mesures d'échantillons et est indiqué sur chaque emballage en tant que valeur nominale avec sa tolérance. Température de référence La température de référence est la température ambiante pour laquelle les données techniques des jauges de contrainte sont valables, sauf si des plages de température sont indiquées. Les données techniques indiquées pour les jauges de contrainte sont basées sur une température de référence de 23 °C.
Caractéristique de température
Des variations de la résistance spécifique de la grille de la jauge de contrainte, dépendantes de la température, se produisent dans la jauge appliquée en raison des coefficients de dilatation thermique linéaires de la grille et des matériaux de l'échantillon. Ces variations de résistance apparaissent comme une contrainte mécanique dans l'échantillon. La représentation de la contrainte apparente en fonction de la température est appelée caractéristique thermique de l'application de la jauge de contrainte. Afin de maintenir la contrainte apparente aussi faible que possible lors des changements de température, chaque jauge de contrainte est adaptée pendant la production à un certain coefficient de dilatation thermique linéaire. OMEGA propose des jauges de contrainte dont les caractéristiques thermiques sont adaptées à l'acier ferritique et à l'aluminium.
Plage de température de service
La plage de température de service est la plage de température ambiante dans laquelle l'utilisation des jauges de contrainte est autorisée sans modification permanente des propriétés de mesure. Les plages de température de service diffèrent selon que les valeurs à mesurer sont statiques ou dynamiques.
Tension d'alimentation RMS maximale admissible du pont
Les valeurs maximales indiquées ne sont autorisées que pour une application appropriée sur des matériaux présentant une bonne conduction thermique (par exemple, de l'acier d'une épaisseur suffisante) si la température ambiante n'est pas dépassée. Dans les autres cas, l'augmentation de la température dans la zone de la grille de mesure peut entraîner des erreurs de mesure. Les mesures sur des plastiques et d'autres matériaux présentant une mauvaise conduction thermique nécessitent une réduction de la tension d'alimentation ou du cycle de service (fonctionnement pulsé).
LA JAUGE DE CONTRAINTE EST L'UN DES OUTILS LES PLUS IMPORTANTS
de la technique de mesure électrique appliquée à la mesure de grandeurs mécaniques. Comme leur nom l'indique, elles sont utilisées pour mesurer la contrainte. En tant que terme technique, la « contrainte » comprend la contrainte de traction et la contrainte de compression, distinguées par un signe positif ou négatif. Ainsi, les jauges de contrainte peuvent être utilisées pour détecter aussi bien l'expansion que la contraction. La contrainte d'un corps est toujours causée par une influence externe ou un effet interne. La contrainte peut être causée par des forces, des pressions, des moments, la chaleur, des changements structurels du matériau, etc. Si certaines conditions sont remplies, la quantité ou la valeur de la grandeur influente peut être dérivée de la valeur de contrainte mesurée. Cette fonctionnalité est largement utilisée dans l'analyse expérimentale des contraintes. L'analyse expérimentale des contraintes utilise les valeurs de déformation mesurées à la surface d'un échantillon ou d'une pièce structurelle pour déterminer la contrainte dans le matériau et également pour prédire sa sécurité et sa résistance. Des transducteurs spéciaux peuvent être conçus pour la mesure de forces ou d'autres grandeurs dérivées, par exemple des moments, des pressions, des accélérations, des déplacements, des vibrations et autres. Le transducteur contient généralement un diaphragme sensible à la pression sur lequel sont collées des jauges de contrainte.
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